KR20150140576A - 왕복 기관용 피스톤 조립체 - Google Patents

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KR20150140576A
KR20150140576A KR1020150078435A KR20150078435A KR20150140576A KR 20150140576 A KR20150140576 A KR 20150140576A KR 1020150078435 A KR1020150078435 A KR 1020150078435A KR 20150078435 A KR20150078435 A KR 20150078435A KR 20150140576 A KR20150140576 A KR 20150140576A
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리차드 존 도나휴
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

왕복 기관용 파워 실린더 시스템은 내부 환형벽을 지니고 보어 직경을 갖는 공동을 형성하는 실린더를 포함한다. 왕복 기관용 파워 실린더 시스템은, 피스톤이 실린더 내부에 배치되고 왕복식으로 이동하도록 구성된 피스톤 조립체를 포함한다. 피스톤과 실린더와 내부 환형벽은 직경 냉간 간극(diametral cold clearance)에 의해 분리되며, 상기 직경 냉간 간극은 보어 직경의 대략 0.5 퍼센트 미만이다. 피스톤 조립체는 피스톤의 톱 랜드 아래에서 피스톤 주위로 둘레방향으로 연장되는 최상위 홈과 최상위 홈 내에 배치되는 링을 포함한다. 톱 랜드 또는 링의 상부면에는 하나 이상의 채널이 형성되고, 하나 이상의 채널은 공동으로부터 최상위 홈의 내면과 링의 내면 사이의 공간으로 연소 가스가 흐르는 것을 가능하게 하도록 구성된다.

Description

왕복 기관용 피스톤 조립체{PISTON ASSEMBLY FOR A RECIPROCATING ENGINE}
본 명세서에 개시되는 보호 대상은 일반적으로 왕복 기관에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 왕복 기관용 피스톤 조립체에 관한 것이다.
왕복 기관(예컨대, 왕복 내연기관)은 산화제(예컨대, 공기)를 이용하여 연료를 연소시켜 고온 연소 가스를 생성하고, 이에 따라 실린더 내에서 피스톤(예컨대, 왕복 피스톤)을 구동한다. 특히, 고온 연소 가스는 팽창하여 피스톤에 대하여 압력을 가하며, 이 압력은 팽창 행정 동안에 피스톤을 실린더의 상부에서 저부로 선형으로 이동시킨다. 피스톤은 연소 가스에 의해 가해지는 압력과 피스톤의 선형 동작을, (예컨대, 피스톤에 커플링된 연결 로드 및 크랭크샤프트를 통해) 하나 이상의 부하, 예컨대 발전기를 구동하는 회전 동작으로 전환한다. 피스톤의 구성과 관련 구조체(예컨대, 피스톤 조립체)는 배출물(예컨대, 불연소 탄화가스) 및 엔진 효율뿐만 아니라 윤활제(예컨대, 오일) 소비에도 현저히 영향을 줄 수 있다. 더욱이, 피스톤 조립체의 구성은 왕복 기관의 작동 수명에 현저히 영향을 줄 수 있다. 따라서, 피스톤 조립체의 구성을 개성하는 것이 바람직할 것이다.
최초로 청구되는 본 발명에 의한 범위에 상응하는 소정 실시예가 아래에 요약되어 있다. 이러한 실시예는 청구되는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되는 것이 아니라, 오히려 이러한 실시예는 단지 본 발명의 가능한 형태에 관한 간략한 개요만을 제공하는 것으로 의도된다. 사실상, 본 발명은 아래에서 기술되는 실시예와 유사할 수도 있고 다를 수도 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 왕복 기관용 파워 실린더 시스템은 내부 환형벽을 갖고 보어 직경을 갖는 공동을 형성하는 실린더를 포함한다. 왕복 기관용 파워 실린더 시스템은, 피스톤이 실린더 내에 배치되고 왕복식으로 이동하도록 구성된 피스톤 조립체를 포함한다. 피스톤과 실린더의 내부 환형벽은, 보어 직경의 대략 0.5 퍼센트 미만인 직경 냉간 간극(diametral cold clearance)에 의해 분리된다. 피스톤 조립체는 피스톤의 톱 랜드(top land) 아래에서 피스톤 주위로 둘레방향으로 연장되는 최상위 홈을 포함한다. 톱 랜드 또는 링의 상부면에 하나 이상의 채널이 형성되며, 하나 이상의 채널은 연소 가스가 공동으로부터 최상의 홈의 내면과 링의 내면 사이의 공간으로 흐를 수 있도록 구성된다.
일실시예에서, 왕복 기관용 파워 실린더 시스템은, 피스톤이 실린더 내부에 위치 설정될 때에 파워 실린더 시스템의 피스톤의 톱 랜드와 실린더의 내부 환형벽 사이의 타이트한 톱 랜드 간극을 형성하도록 구성된다. 피스톤 조립체는 또한 피스톤 주위에서 둘레방향으로 연장되고 링을 지지하도록 구성되는 최상위 링 홈도 포함한다. 최상위 링 홈의 상부면 또는 링의 상부면에는 하나 이상의 채널이 위치 설정되고, 하나 이상의 채널은 최상위 링 홈으로 개방되며, 링이 최상위 링 홈에 배치될 때에 피스톤의 외주부로부터 최상위 링 홈의 일부와 링의 내주면 사이에 형성되는 공간으로 내측방향으로 연장된다.
일실시예에서, 왕복 기관용 파워 실린더 시스템은 보어 직경을 갖는 실린더를 포함한다. 피스톤은 실린더 내에 위치 설정되고, 피스톤의 톱 랜드와 실린더의 내부 환형벽 사이에 타이트한 톱 랜드 간극이 마련된다. 피스톤의 톱 랜드 아래에서 피스톤의 최상위 홈 내에 링이 위치 설정된다. 실린더, 링 및 톱 랜드는 톱 랜드 공동을 형성한다. 하나 이상의 반경방향 채널이 톱 랜드 공동 및 상부 링의 내면에 인접한 공간과 유체 연통되며, 하나 이상의 반경방향 채널은 톱 랜드 공동으로부터 상기 공간으로의 연소 가스의 이송을 용이하게 하도록 구성된다.
본 발명의 이들 및 다른 피쳐, 양태 및 장점은 첨부도면을 참고로 하여 아래의 상세한 설명을 읽을 때에 보다 양호하게 이해될 것이며, 첨부도면에서 유사한 도면부호는 도면 전반에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 엔진 구동식 발전 시스템의 일부에 관한 실시예의 개략적인 블럭선도.
도 2는 피스톤이 엔진의 실린더 내에 위치 설정된 타이트 톱 랜드 피스톤 조립체의 실시예에 관한 측단면도.
도 3은 반경방향 채널이 피스톤의 톱 랜드에 형성된, 피스톤에 관한 실시예의 일부의 측면도.
도 4는 반경방향 채널이 피스톤의 톱 랜드에 형성된, 타이트 톱 랜드 피스톤 조립체에 관한 실시예의 일부의 부분 측단면도.
도 5는 반경방향 채널이 상부 피스톤 링에 형성된, 타이트 톱 랜드 피스톤 조립체에 관한 실시예의 일부의 부분 측단면도.
아래에서는, 본 발명에 관한 하나 이상의 특정 실시예를 설명하겠다. 이들 실시예를 정확히 설명하기 위한 노력의 일환으로, 명세서에서 실제 구현예의 모든 피쳐(feature)를 설명하지 않을 수 있다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같이 임의의 그러한 실제 구현예의 개발에서는, 시스템 관련 및 사업 관련 제약 - 구현예마다 변할 수 있음 - 에 부합하는 등과 같은 개발자의 특정 목적을 달성하기 위해, 여러 구현예에 대해 고유한 결정이 이루어져야만 한다는 점을 이해해야만 한다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적이지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이점을 갖는 당업자에게 있어서 설계, 제작 및 제조에 관한 일상적인 업무라는 점을 이해해야만 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소를 소개할 때, 단수 형태 및 "상기"라는 수식어가 선행하는 용어는 하나 이상의 요소가 있다는 것을 의미하는 것으로 의도된다. "구성하는", "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적인 것으로 의도되고, 열거된 요소 이외에 추가의 요소가 있을 수 있다는 것을 의미한다.
본 개시에 따른 왕복 기관(예컨대, 왕복 내연기관)용 파워 실린더 시스템은 하나 이상의 피스톤을 포함할 수 있으며, 이들 피스톤은 각각 실린더(예컨대, 선형) 내에서 선형으로 이동하여, 연소 가스에 의해 가해지는 압력과 피스톤의 선형 동작을 하나 이상의 부하를 작동시키는 회전 동작으로 전환하도록 구성된다. 각각의 피스톤은 피스톤의 톱 랜드 아래에서 피스톤 주위로 둘레방향으로 연장되는 상부 환형 홈(에컨대, 상부 링 홈 또는 최상위 링 홈)을 가질 수 있다. 상부 환형 홈에는, 상부 링(예컨대, 상부 피스톤 링)이 배치될 수 있다. 상부 링, 톱 랜드 및 실린더의 내부 환형벽은 환형 톱 랜드 공동을 형성한다. 개시된 실시예에서는, 예컨대 반경방향 링 와해를 저지하기 위해, 연소 가스를 상부 링의 내면에 인접한 공간으로 이송하기 위해 하나 이상의 채널이 마련될 수 있다. 또한, 피스톤의 톱 랜드와 실린더의 내부 환형벽 사이의 (예컨대, 톱 랜드 공동을 가로지르는) TTL 간극(예컨대, 직경 간극)이 채널 내의 탄소 침적물의 형성을 저지할 수 있다.
개시된 실시예를 사용하지 않는 경우, 상부 링에 걸친 압력 구배로 인해, 예컨대 반경방향 링 와해(예컨대, 상부 링이 실린더의 내벽으로부터 멀어지게 이동함), 증가된 윤활제(예컨대, 오일), 증가된 불연소 탄화수소의 가스 누출, 증가된 배출물이 야기될 수 있다. 이에 따라, 본 개시의 실시예는, 고압 연소 가스를 상부 링의 내면에 인접한 공간으로 이송하는 채널을 포함하고, 이에 의해 이송된 가스가 상부 링의 내면에 대해 반경방향 외측 지향 힘을 가한다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 채널은 엔진 작동 중에 형성될 수 있는 탄소 침적물에 의해 막히기 쉽다. 채널 내의 탄소 침적물의 형성은 채널을 통한 연소 가스의 이동을 차단할 수 있고, 이에 따라 예컨대 상부 링을 안정화시키는 채널의 능력을 제한할 수 있다. 채널 내의 탄소 침적물의 형성을 저지하기 위해, 본 실시예는 (예컨대, 톱 랜드 공동에 걸쳐) 피스톤의 톱 랜드와 실린더의 내부 환형벽 사이에 TTL 간극을 갖는 TTL 피스톤 조립체를 포함한다. 아래에서 보다 상세히 설명하겠지만, TTL 간극은 일반적으로 작은 간극이다. 예컨대, TTL 간극은 실린더 보어 직경의 대략 0.5 퍼센트 미만일 수 있다. 다른 예로써, 알루미늄 피스톤에 있어서의 TTL 간극은 실린더 보어 직경의 대략 0.36 내지 0.5 퍼센트일 수 있다. 다른 예로써, 강제(鋼製) 피스톤에 있어서의 TTL 간극은 실린더 보어 직경의 대략 0.2 내지 0.32 퍼센트일 수 있다. TTL 간극은 채널 내의 온도 및/또는 채널 내의 오일의 체류 시간을 제어할 수 있고, 이에 따라 채널 내에서의 탄소 침적물의 형성을 저지할 수 있다. 이에 따라, TTL 간극은 엔진의 작동 수명 동안에 채널의 지속적이고 신뢰성 있는 작동을 가능하게 할 수 있다. 유리하게는, 본 명세서에 개시된 피쳐를 갖는 엔진은 상부 링의 증가된 안정성을 가질 수 있으며, 이에 따라 예컨대 반경방향 링 와해를 저지할 뿐만 아니라, 가스 누출, 오일 소비, 배출물을 줄일 수 있다.
도면으로 돌아가면, 도 1은 엔진 구동식 발전 시스템(8)의 일부의 실시예에 관한 블럭선도를 보여준다. 아래에서 상세히 설명하겠지만, 엔진 구동식 발전 시스템(8)은 하나 이상의 연소실(12)[예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 7개, 8개, 10개, 12개, 14개, 16개, 18개, 20개 또는 그보다 많은 연소실(12)]을 갖는 엔진(10)(예컨대, 왕복 내연기관)을 포함한다. 급기부(14)가 공기, 산소, 산소 농후 공기, 산소 희박 공기 또는 이들의 임의의 조합과 같은 압축 산화제(16)를 각각의 연소실(12)에 공급하도록 구성된다. 연소실(12)은 또한 연료 공급부(19)로부터의 연료(18)(예컨대, 액체 및/또는 가스상 연료)를 수용하도록 구성되고, 각각의 연소실(12) 내에서 연료-공기 혼합물이 점화되며 연소된다. 고온 압축 연소 가스로 인해, 각각의 연소실(12)에 인접한 피스톤(20)이 실린더(26) 내에서 선형으로 이동하고 가스에 의해 가해지는 압력을 회전 동작으로 전환하여, 샤프트(22)가 회전하도록 한다. 피스톤(20)은 실린더(26)와 함께 엔진(10)의 파워 실린더 시스템을 형성할 수 있다. 아래에서 보다 상세히 설명하겠지만, 피스톤(20)의 상부 링을 안정화시키기 위해 하나 이상의 채널이 마련될 수 있고, 하나 이상의 채널 내에서의 탄소 침적물의 형성을 저지하기 위해 피스톤(20)의 톱 랜드와 실린더의 내부 환형벽 사이에 TTL 간극이 마련될 수 있다. 더욱이, 샤프트(22)는 샤프트(22)의 회전을 통해 작동되는 부하(24)에 커플링될 수 있다. 예컨대, 부하(24)는 엔진(10)의 회전 출력을 통해 파워를 생성할 수 있는, 발전기와 같은 임의의 적절한 디바이스일 수 있다. 추가로, 아래의 설명은 산화제(16)로서 공기를 언급하고 있지만, 개시되는 실시예의 경우에 임의의 적절한 산화제가 사용될 수 있다. 이와 마찬가지로, 연료(18)는, 예컨대 천연 가스, 수반 가스(associated petroleum gas), 프로판, 바이오 가스, 폐수 가스, 매립 가스, 탄광 가스와 같은 임의의 적절한 가스상 연료일 수 있다.
여기에 개시된 엔진 구동식 발전 시스템(8)은 고정식 어플리케이션(예컨대, 산업용 발전 엔진)에서 또는 이동식 어플리케이션(예컨대, 차량 또는 항공기)에서 사용하도록 되어 있을 수 있다. 엔진(10)은 2 행정 엔진, 3 행정 엔진, 4 행정 엔진, 5 행정 엔진 또는 6 행정 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 또한 임의의 개수의 연소실(12), 피스톤(20) 및 관련 실린더(예컨대, 1개 내지 24개)를 포함할 수 있다. 예컨대, 소정 실시예에서 엔진 구동식 발전 시스템(8)은 실린더 내에서 왕복 운동하는 4개, 6개, 8개, 10개, 16개, 24개 또는 그보다 많은 피스톤(20)을 갖는 대규모 산업용 왕복 기관을 포함할 수 있다. 몇몇 그러한 케이스에서, 실린더 및/또는 피스톤(20)은 대략 13.5 내지 34 센치미터(cm)의 직경을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실린더 및/또는 피스톤(20)은 대략 10 내지 40 cm, 15 내지 25 cm 또는 약 15 cm의 직경을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 피스톤(20)은, 피스톤(20)의 상부 링 홈에 Ni-저항 링 인서트를 지닌 강제 피스톤이나 알루미늄 피스톤일 수 있다. 엔진 구동식 발전 시스템(8)은 10 kW 내지 10 MW 범위의 파워를 생성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 분당 1800 회전수(RPM) 미만으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 2000 RPM, 1900 RPM, 1700 RPM, 1600 RPM, 1500 RPM, 1400 RPM, 1300 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM 또는 900 RPM 미만으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 800 내지 2000 RPM, 900 내지 1800 RPM 또는 1000 내지 1600 RPM으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 1800 RPM, 1500 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 또는 900 RPM으로 작동할 수 있다. 예시적인 엔진(10)은, 예컨대 General Electric Company의 Jenbacher Engine(예컨대, Jenbacher Type 2, Type 3, Type 4, Type 6 또는 J920 FleXtra) 또는 Waukesha Engine(예컨대, Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL)을 포함할 수 있다.
도 2는 피스톤(20)이 엔진(10)의 실린더(26)(예컨대, 엔진 실린더)에 배치되는 피스톤 조립체의 실시예의 측단면도이다. 실린더(26)는 원통형 공동(30)을 형성하는 내부 환형벽(28)을 갖는다. 아래의 설명에서는, 축방향 축 또는 축방향(34), 반경방향축 또는 반경방향(36)과 둘레방향축 또는 둘레방향(38)을 참고할 수 있다. 피스톤(20)은 상부 부분(40)(예컨대, 톱 랜드)과 톱 랜드(40) 아래에서 피스톤(20) 주위로 둘레방향으로 연장되는 제1 환형 홈(42)(예컨대, 상부 홈 또는 상부 링 홈)을 포함한다. 제1 링(44)(예컨대, 상부 링 또는 상부 피스톤 링)은 상부 홈(42)에 위치 설정되어 상부 홈에 의해 지지될 수 있다. 상부 링(44), 톱 랜드(40) 및 실린더(26)의 내부 환형벽(28)은 환형 톱 랜드 공동(46)을 형성한다. 도시한 바와 같이, 피스톤(20)은 피스톤(20) 주위에서 둘레방향으로 연장되고 축방향 축(34)을 따라 상부 홈(42)으로부터 그리고 서로 이격된 복수 개의 다른 환형 홈(47)(예컨대, 다른 링 홈)을 포함한다. 다른 피스톤 링(48)은 각각의 다른 홈(47)에 위치 설정된다. 여기에는 상부 홈(42)과 상부 링(44)에 관하여 다양한 피쳐가 개시된다. 그러나, 복수 개의 다른 홈(47)과 대응하는 다른 피스톤 링(48)은 임의의 다양한 구성을 가질 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 예컨대, 복수 개의 다른 홈(47) 중 하나 이상 및/또는 대응하는 다른 링(48)은 아래에 개시되는 피쳐들 중 일부 또는 전부를 포함할 수도 있고, 예컨대 다른 구성, 형상, 크기 및/또는 기능을 가질 수도 있다.
도시한 바와 같이, 피스톤(20)은 연결 로드(52)와 핀(54)을 통해 크랭크샤프트(50)에 부착된다. 크랭크샤프트(50)는 피스톤(20)의 왕복 선형 동작을 회전 동작으로 변환한다. 연소실(12)은 피스톤(20)의 톱 랜드(40)에 인접하게 위치 설정된다. 연료 인젝터(56)는 연소실(12)에 연료(18)를 공급하고, 밸브(58)는 연소실(12)로의 공기(16)의 이송을 제어한다. 배기 밸브(60)는 엔진(10)으로부터의 배기물의 배출을 제어한다. 그러나, 연소실(12)에 연료(18)와 공기(16)를 공급하기 위한 및/또는 배기물을 배출하기 위한 임의의 적절한 요소 및/또는 기술이 활용될 수 있다는 점을 이해해야만 한다.
작동 시에, 연소실(12)에서의 공기(16)를 이용한 연료(18)의 연소로 인해, 피스톤(20)이 실린더(26)의 공동(30) 내에서 축방향(34)으로 왕복식(예컨대, 전후방)으로 이동하게 된다. 피스톤(20)이 이동할 때, 크랭크샤프트(50)가 회전하여 부하(24)를 작동시킨다(도 1에 도시함). 상부 링(44)은 상부 홈(42)으로부터 돌출하도록 그리고 실린더(26)의 내부 환형벽(28)에 접촉하도록 구성된다. 상부 링(44)은 일반적으로 연료(18)와 공기(16) 또는 연료-공기 혼합물(82)이 연소실(12)을 빠져나가는 것을 저지하도록 구성되고/구성되거나 팽창 고온 연소 가스가 피스톤(20)의 왕복 동작을 유발하게 할 수 있도록 적절한 압력(예컨대, 압축)의 유지를 용이하게 한다. 더욱이, 상부 링(44)은, 일반적으로 내부 환형벽(28)에 피복되고 엔진(10) 내의 열 및/또는 마찰력을 제어하는 오일 벗겨냄을 용이하게 한다. 엔진(10)의 작동 중에, 상부 링(44)은 고온 및 고압 연소 가스의 영향을 받는다. 개시된 실시예를 이용하지 않는 경우, 상부 링(44)에 대해 인가되는 고압은 반경방향 링 와해[예컨대, 반경방향 축(36)을 따른 실린더(26)의 내벽(28)으로부터 멀어지는 상부 링(44)의 이동] 및/또는 링 리프트(ring lift) 또는 링 플러터(ring flutter)[예컨대, 상부 링(44)의 축방향 축(34)을 따른 상부 홈(42) 내에서의 이동]를 초래할 수 있다. 상부 링(44)의 그러한 이동 또는 불안정성은, 그로 인해 예컨대 증가된 오일 소비, 증가된 배출물, 증가된 누출 및/또는 엔진(10) 부품의 증가된 마모를 초래할 수 있다.
전술한 점을 염두에 두고, 피스톤 조립체(25)는 상부 링(44)을 안정화하도록 구성된 하나 이상의 반경방향 채널(예컨대, 통로, 트로프, 홈 등)을 포함할 수 있다. 아래에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 반경방향 채널(84)은 환형 톱 랜드 공동(46)으로부터 공간(도 4에 도시함)으로의 연소 가스의 이송을 가능하게 하며, 이 경우에 연소 가스가 상부 링(44)의 내면(도 4에 도시함)에 대해 반경방향 외측 힘을 가한다. 이에 따라, 반경방향 채널(84)은 상부 링(44) 전반에 걸친 압력 구배의 제어를 용이하게 할 수 있고, 상부 링 홈(42) 내에서 상부 링(44)을 안정화시킬 수 있다. 피스톤 조립체(25)는 아래에서 보다 상세히 설명하겠지만 TTL 피스톤 조립체(25)일 수도 있다.
도 3은 피스톤(20)의 톱 랜드(40)에 반경방향 채널(84)이 형성된, 피스톤(20)의 실시예의 일부에 관한 사시도이다. 도시한 바와 같이, 반경방향 채널(84)은 피스톤(20)의 톱 랜드(40)의 저면과 상부 홈(42)의 상부면(예컨대, 상부면 또는 상부 둘레) 모두에 대응하는 축방향 대향면(86)(예컨대, 환형면)을 따라 형성된다. 반경방향 채널(84)은 축방향 대향면(86) 주위에서 둘레방향으로[예컨대, 둘레방향 축(38)을 따라] 이격되고, 피스톤(20)의 톱 랜드(40)의 외면(88)으로부터 반경방향 내측으로[예컨대, 반경방향 축(36)을 따라) 연장된다. 반경방향 채널(84)은 곡률반경 90을 갖는 곡선형 단면 형상을 갖고[예컨대, 반경방향 채널(84)은 곡선형 벽(91)을 가짐), 곡선형 단면 형상은 반경방향(36)으로 연장된다. 도시한 바와 같이, 반경방향 채널(84)은 상부 홈(42)을 향해 개방된다. 상부 링(44)과 축방향 대향면(86) 사이의 축방향 거리(92)는 [예컨대, 제1 축방향 거리(92)와, 제1 축방향 거리(92)보다 크고 반경방향 채널(84)과 일치하는 제2 축방향 거리(94)로 나타낸 바와 같이] 상부 링(44) 주위에서 둘레방향으로[예컨대, 둘레방향 축(38)을 따라] 변할 수 있다. 추가로, 축방향 대향면(86)과 상부 링(44) 사이의 제1 축방향 거리(92)는 과도한 링 리프트 또는 링 플러터(flutter)를 방지하면서 엔진(10)의 작동 중에 고온 및 고압으로 인한 상부 링(44)의 어느 정도의 팽창 및 수축을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 따라서, 반경방향 채널(84)은 반경방향 채널(84)을 따른 공동(30)으로부터의 연소 가스의 이송을 용이하게 하여, 상부 링(44) 전반에 걸친 압력 구배를 감소시키고, 제1 축방향 거리(92)가 링 리프트를 제한하도록 최소화되는 것을 가능하게 할 수도 있다.
반경방향 채널(84)은 곡선형 단면과 곡률반경(90)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 반경방향 채널(84)은, 여기에 개시된 방식으로 연소 가스의 이송을 용이하게 하는 임의의 적절한 단면 또는 형상을 가질 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 더욱이, 다수의 반경방향 채널(84)이 예시되지만, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그보다 많은 임의의 개수의 반경방향 채널(84)이 마련될 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 또한, 반경방향 채널(84)은 피스톤(20) 주위에 균일한 둘레방향으로 이격되는 것을 포함하여 임의의 적절한 방식으로 분포될 수 있다.
그러나 몇몇 경우에, 엔진(10)에서 사용되는 윤활유와 소정 연료가 탄소 침적물을 생성할 수 있다. 예컨대, 엔진(10) 내의 고온 및/또는 고압 조건은 실린더(26)의 내부 환형벽(28) 상의 불완전 연소 연료 및/또는 윤활유의 탄화를 조장할 수 있다. 따라서, 온도 및/또는 반경방향 채널(84) 내의 오일 체류 시간을 줄이는 소정 피쳐를 마련하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 피쳐는 반경방향 채널(84) 내의 탄소 침적물 형성을 저지할 수 있고, 반경방향 채널(84)을 통한 연소 가스의 신뢰성 있는 이송을 가능하게 할 수 있다.
전술한 점을 염두에 두고, 도 4는 반경방향 채널(84)을 지닌 피스톤(20)과 TTL 간극(100)(예컨대, 환형 공간을 형성하는 반경 간극)을 갖는 TTL 피스톤 조립체(25)의 실시예의 일부에 관한 부분 측단면도이다. TTL 간극(100)은 반경방향 채널(84) 내의 탄소 침적물의 형성을 효과적으로 저지하거나 최소화할만큼 충분히 작다. 예시한 실시예에서, 반경방향 채널(84)은 피스톤(20)의 축방향 대향면(86)에 형성된다. 반경방향 채널(84)은 톱 랜드(40)의 외면(88)으로부터 반경방향 내측으로[예컨대, 반경방향 축(36)을 따라] 연장된다. 엔진(10)의 작동 중에, 연소 가스는 상부 링(44)의 외면(102)(예컨대, 반경방향 외측면 또는 외주면)에 압력을 가하고, 상부 링(44)을 실린더(26)의 내부 환형벽(28)으로부터 멀어지게 이동시키는 반경방향 내측 힘(104)을 생성한다.
상부 링(44)의 상부면(110)(예컨대, 축방향 상부면)과 피스톤(20)의 축방향 대향면(86) 사이에는, 상부 홈(42) 내에서 상부 링(44)의 팽창(예컨대, 온도 변동 등으로 인함)을 수용하기 위한 갭(106)이 마련되지만, 갭(106)을 가로지르는 제1 축방향 거리(92)는 바람직하게는 링 리프트 및 플러터를 최소화하도록 구성되고, 이에 따라 상부 링(44)의 내면(124)(예컨대, 반경방향 내면 또는 내주면)으로의 연소 가스의 효율적인 이송이 가능하지 않을 수 있다. 따라서, 개시된 채널(84)이 없는 경우에는 상부 링(44) 전반에 걸쳐[예컨대, 외면(102)과 내면(124) 사이에] 큰 압력차가 존재할 수 있다. 예컨대, 개시된 채널(84)이 없는 경우, 외면(102) 근처의 압력은 내면(124) 근처의 압력보다 클 수 있다. 그러한 경우, 상부 링(44)은 반경방향 링 와해에 이를 수 있고, 이에 따라 예컨대 증가된 오일 소비 및 가스 누출을 초래한다. 이에 따라, 반경방향 채널(84)은 상부 링(44)의 내면과 상부 홈(42)의 내벽(131)(예컨대, 내부 환형벽)에 인접한 공간(130)(예컨대, 환형 공간)으로의 연소 가스의 이송을 용이하게 하도록 구성될 수 있으며, 이는 증가된 상부 링(44)의 안정화를 제공할 수 있다. 공간(130) 내의 연소 가스는 반경방향 내측 힘(104)을 밸런싱하거나 상쇄시키는 반경방향 외측 힘(132)을 가할 수 있고, 상부 링(44)에 전반에 걸친 압력은 실질적으로 동일하거나, 그렇지 않은 경우에는 예컨대 반경방향 링 와해를 방지하도록 제어될 수 있다.
반경방향 채널(84) 내의 탄소 침적물 축적을 저지하기 위해 및/또는 반경방향 채널(84)을 통한 연소 가스의 신뢰성 있는 이송을 가능하게 하기 위해, 반경방향 채널(84)은 TTL 간극(100)과 함께 사용될 수 있다. 도시한 바와 같이, TTL 간극(100)은 실린더(26)의 내부 환형벽(28)과 피스톤(20)의 톱 랜드(40)의 외면(88) 사이의 [예컨대, 톱 랜드 공동(46)을 가로지르는] 직경 간극(예컨대, 반경 간극의 2배)이다. TTL 간극(100)은 피스톤(20)의 재료와 같은 피스톤 조립체(25)의 재료에 기초하여 변할 수 있다. 피스톤(20)이, 예컨대 알루미늄을 포함할 때, TTL 간극(100)은 실린더(26)의 공칭 보어 직경(134)의 대략 0.36 내지 0.5 퍼센트의 직경 냉간 간극(예컨대, 엔진이 작동하지 않을 때의 실온에서의 직경 간극)이다. 강과 같은 대안의 재료의 경우, TTL 간극(100)은 대안의 재료와 알루미늄 간의 열팽창 계수의 비에 기초하여 스케일링될 수 있다. 예컨대, 피스톤(20)이 13.2-6 K의 열팽창계수를 갖는 강으로 형성되는 경우, TTL 간극(100)은 알루미늄 피스톤(200)의 TTL 간극(100)에 13.2-6/21-6 (또는 약 0.628)를 곱하는 것에 의해 스케일링될 수 있으며, 이때 21-6 K은 알루미늄 피스톤(20)을 형성하는 데 사용되는 알루미늄의 열팽창계수이다. 예컨대, 강제 피스톤에 있어서의 TTL 간극은 공칭 보어 직경(134)의 대략 0.2 내지 0.32 퍼센트일 수 있다. 몇몇 실시예에서, TTL 간극(100)은 [예컨대, 엔진(10)의 정격 온도에서의] 엔진(10)의 작동 중에 대략 25 마이크로미터(㎛) 미만이다. 소정 실시예에서, TTL 간극(100)은 대략 50 ㎛, 40 ㎛, 30 ㎛, 20 ㎛, 15 ㎛, 10 ㎛ 미만이거나 그보다 작다. 다른 실시예에서, TTL 간극(100)은 정격 온도에서의 엔진의 작동 중에 약 5 내지 50 ㎛, 10 내지 40 ㎛, 5 내지 35 ㎛ 또는 20 내지 30 ㎛이다.
소정 작동 조건에서는, 직경 간극이 전술한 TTL 간극(100)보다 작거나 TTL 간극보다 크도록 피스톤(20)이 실린더(26) 내에 위치 설정되는 것이 바람직할 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 예컨대, 소정 작동 조건 하에서, 실린더(26)의 내부 환형벽(28)과 피스톤(20)의 톱 랜드(40)의 외면(88) 사이의 [예컨대, 톱 랜드 공동(46)에 걸친] 직경 간극은 실린더(26)의 공칭 보어 직경(134)의 대략 0.1 퍼센트 내지 0.7 퍼센트, 0.1 퍼센트 내지 0.35 퍼센트 또는 0.5 퍼센트 내지 0.7 퍼센트의 직경 냉간(예컨대, 실온) 간극일 수 있다. 그러한 직경 간극은, 예컨대 반경방향 채널(84)이 보다 큰 치수(예컨대, 보다 큰 흐름 체적)을 갖고/갖거나 피스톤 조립체(25)의 저(low)침적 구역(예컨대, 저온 및/또는 저오일 구역 )에 위치 설정되는 경우와 같은 소정 경우 또는 소정 작동 조건 하에서 반경방향 채널(84)과 함께 사용될 수 있다. 또한, 그러한 직경 냉간 간극을 갖는 소정 엔진은 정격 온도에서의 엔진(10)의 작동 중에 및/또는 엔진(10)의 소정 작동 조건 하에서 25 미크론의 반경 간극을 나타낼 수 있고, 이에 따라 탄소 침적물의 형성을 줄이거나 제한할 수 있다.
TTL 간극(100)은 피스톤(20)의 톱 랜드(40)로부터 실린더(26)로의 열이송로 인해 피스톤 온도를 줄일 수 있다. 또한, TTL 간극(100)은 톱 랜드(40), 상부 링 홈(42) 및/또는 반경방향 채널(84) 상에서의 오일의 체류 시간을 줄일 수 있는데, 그 이유는 피스톤(20)이 실린더(26) 내에서 이동할 때에 오일이 빈번하게 [예컨대 TTL 간극(100)이 없거나 공칭 보어 직경(134)의 대략 0.5 퍼센트보다 크거나 그보다 큰 직경 냉간 간극을 갖는 엔진(10)보다 빈번하게] 재보충되기 때문이다. 이에 따라, TTL 간극(100)은 반경방향 채널(84) 내의 탄소 침적물 축적을 저지하고, 엔진(10)의 작동 중에 반경방향 채널(84)을 통한 연소 가스의 지속적이고 신뢰성 있는 이송을 가능하게 한다.
도 5는 상부 링(44)에 반경방향 채널(140)이 형성된, TTL 피스톤 조립체(25)의 실시예의 일부에 관한 부분 측단면도이다. 소정 실시예에서는, 상부 링(44)의 상부면(110)을 따라 하나 이상의 반경방향 채널(84)이 형성될 수 있다. 상기한 반경방향 채널(84)은, 예컨대 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이 피스톤(20)의 톱 랜드(40)에 형성된 반경방향 채널(84)에 추가하여 또는 이 반경방향 채널의 대안으로서 마련될 수 있다.
도시한 바와 같이, 상부 링(44)에 형성된 반경방향 채널(84)은 상부 링(44)의 외면(102)에서부터 내면(124)으로 반경방향 내측으로[예컨대, 반경방향(36)으로] 연장될 수 있다. 상부 링(44)과 축방향 대향면(86) 사이의 축방향 거리(92)는 [예컨대 제1 축방향 거리(92)와, 제1 축방향 거리(92)보다 크고 반경방향 채널(84)과 일치하는 제2 축방향 거리(94)로 나타낸 바와 같이] 상부 링(44) 주위에서 둘레방향으로[예컨대, 둘레방향 축(38)을 따라] 변할 수 있다. 이에 따라, 반경방향 채널(84)은 화살표 162로 나타낸 바와 같이 공동(30)으로부터 내면(124)에 인접한 공간(130)으로의 연소 가스의 흐름을 용이하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 공간(130)으로의 연소 가스의 이송은 상부 링(44)의 외면(102)과 내면(124) 사이의 압력차를 제어할 수 있고, 이에 따라 예컨대 반경방향 링 와해를 저지할 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 축방향 대향면(86)에 형성된 반경방향 채널(84), 상부 링(44)에 형성된 반경방향 채널(84) 및/또는 축방향 채널(150)은, 상부 링(44)의 내면(124)과 상부 링(44)의 외면(102) 사이의 압력을 조절하거나 압력차를 형성하는 데 기여할 수 있기 때문에, 예컨대 반경방향 링 와해 및/또는 가스 누출을 저지하기 위해 상부 링(44)을 실린더(26)에 대하여 반경방향 외측으로 압박하는 데 기여할 수 있다. 반경방향 채널(140)은 상부 링(44)의 내면(124)에 인접한 공간(130)으로의 연소 가스의 이송을 용이하게 하기 위한 임의의 적절한 부위에 위치 설정될 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 또한, 임의의 적절한 개수의 상부 링(44)에 형성되는 반경방향 채널(84) 및/또는 축방향 채널(150)이 마련될 수 있다. 예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그보다 많은 반경방향 채널(84)이 마련될 수 있다. 상부 링(44)에 있는 반경방향 채널(84) 및/또는 피스톤(20)의 축방향 대향면(86)에 있는 반경방향 채널(84)은 피스톤(20) 둘레 주위의 각각의 위치에서 이격될 수 있고, 몇몇 경우에는 서로 균일한 거리로 이격될 수 있다. 더욱이, 여기에 개시된 반경방향 채널(84, 140) 및/또는 축방향 채널(150)뿐만 아니라 다양한 저마찰 코팅이 활용될 수 있다.
예시한 실시예에서, TTL 간극(100)은 반경방향 채널 내의 탄소 침적물의 형성을 저지하기 위해 마련된다. 예컨대, TTL 간극(100)은 피스톤(20)의 톱 랜드(40)로부터 실린더(26)로의 열이송로 인해 피스톤(20) 온도를 줄일 수 있다. 또한, TTL 간극(100)은 톱 랜드(40), 상부 링 홈(42) 및/또는 반경방향 채널(84) 상에서의 오일의 체류 시간을 줄일 수 있는데, 그 이유는 피스톤(20)이 실린더(26) 내에서 이동할 때에 오일은 빈번히 [예컨대, TTL 간극(100)이 없거나, 직경 냉간 간극이 공칭 보어 직경(134)의 대략 0.8 % 이상인 경우보다 빈번히] 재보충되기 때문이다. 이에 따라, TTL 간극(100)은 반경방향 채널(84) 내에서의 탄소 침적물 축적을 저지하고, 엔진(10)의 작동 중에 반경방향 채널(84) 및/또는 축방향 채널(150)을 통한 연소 가스의 지속적이고 신뢰성 있는 이송을 가능하게 한다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상부 링(44)은 반경방향 축(161)을 중심으로, 피스톤의 하행정(예컨대, 팽창 행정) 중에 실린더의 내벽으로부터 오일을 효과적으로 그리고 효율적으로 벗겨내도록 구성되는, 테이퍼진 프로파일이나 부분적으로 테이퍼진 프로파일(예컨대, 원추형 프로파일)과 같은 비대칭 프로파일(예컨대, 비대칭 단면)을 가질 수 있다. 도시한 바와 같이, 상부 링(44)은 상부 링(44)의 높이(163)에 걸쳐 테이퍼진다. 상부 링(44)의 반경(164)(그리고 이에 따른 직경)은 상부 링(44)의 상부면(110)과 저면(165) 사이에서 증가한다. 상부 링(44)의 최소 반경(164)은 상부면(110)과 일치하고, 상부 링(44)의 최대 반경(164)은 저면(112)과 일치한다. 그러한 구성에서, 외면(102)은 상부 링(44) 저면(112)에 또는 이 저면에 근접하게 실링 포인트(167)(예컨대, 환형 시일)를 형성하기 위해 내부 환형벽(28)과 접촉하도록 구성된다. 예시한 실시예에서, 외면(102)은 선형 프로파일을 갖지만, 프로파일은 단차형일 수도 있고, 곡선형(예컨대, 볼록형이나 오목형)일 수도 있다. 테이퍼진 프로파일 또는 부분적으로 테이퍼진 프로파일은 상부 링(44) 전반에 걸쳐 압력 구배를 유발할 수 있지만, 반경방향 채널(84)은, 아래에서 기술하는 방식으로 상부 링(44) 전반에 걸친 압력을 제어하고, 상부 링(44)을 안정화시키 위해 공간(130)으로 연소 가스를 이송하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예의 기술적인 효과는 반경방향 채널(84)과 같은 하나 이상의 채널을 통해 엔진(10) 내의 연소 가스 분배를 제어하는 시스템을 제공하는 것을 포함한다. 연소 가스는 TTL 피스톤 조립체(25)에 있는 상부 링(44)의 외면(102)에 대하여 압력을 가할 수 있다. 반경방향 채널(84)은 상부 링(44)의 내면(124)에 인접한 공간(130)으로 연소 가스를 이송할 수 있고, 이에 따라 상부 링(44)의 외면(102)과 내면(124) 사이의 압력 구배를 제어할 수 있다. TTL 피스톤 조립체(25)는 피스톤(20)의 톱 랜드(40)와 실린더(26)의 내부 환형벽(28) 사이의 TTL 간극(100)을 포함한다. TTL 간극(100)은 유익하게는 피스톤(20)의 온도를 줄이고/줄이거나 반경방향 채널(84) 근처에서 오일을 재보충하며, 이에 따라 반경방향 채널(84) 및/또는 축방향 채널(150) 내의 탄소 침적물 축적을 저지한다. 이에 따라, 반경방향 채널(84) 및/또는 TTL 간극(100)은 상부 링(44) 주위에서의 지속적이고 신뢰성 있는 연소 가스의 이송을 가능하게 할 수 있고, 상부 링(44)의 안정성을 향상시킬 수 있다. 상기한 구성은 또한 유익하게는 오일 소비, 배출물, 가스 누출 및/또는 엔진(10) 내의 마찰을 줄일 수 있다.
이러한 기록된 설명은 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하기 위해 그리고 당업자가 임의의 디바이스나 시스템을 형성하고 사용하며 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 예들을 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 떠오르는 다른 예를 포함한다. 그러한 다른 예는, 사실상 청구범위와 상이하지 않은 구조 요소를 구비한다면 또는 사실상 청구범위와 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 포함한다면 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 왕복 기관용 파워 실린더 시스템으로서,
    내부 환형벽을 갖고 보어 직경을 갖는 공동을 형성하는 실린더; 및
    피스톤 조립체
    를 포함하며, 상기 피스톤 조립체는
    실린더 내에 배치되고 실린더 내에서 왕복식으로 이동하도록 구성되는 피스톤;
    피스톤의 톱 랜드(top land) 아래에서 피스톤 주위로 둘레방향으로 연장되는 최상위 홈;
    최상위 홈 내에 배치되는 링; 및
    톱 랜드 또는 링의 상부면에 형성되는 하나 이상의 채널
    을 포함하고, 상기 피스톤과 내부 환형벽은, 보어 직경의 대략 0.5 퍼센트 미만인 직경 냉간 간극(diametral cold clearance)에 의해 분리되며, 상기 링은, 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 실린더의 내부 환형벽과 접촉하도록 구성되고, 상기 하나 이상의 채널은, 연소 가스가 공동으로부터 최상위 홈의 내면과 링의 내면 사이의 공간으로 흐르는 것을 가능하게 하도록 구성되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 알루미늄 피스톤이고, 상기 피스톤 조립체는 타이트 톱 랜드 피스톤 조립체(tight top land piston assembly)이며, 상기 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽 사이의 직경 냉간 간극은 보어 직경의 대략 0.36 퍼센트 내지 0.5 퍼센트인 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 강제(鋼製) 피스톤이고, 상기 피스톤 조립체는 타이트 톱 랜드 피스톤 조립체이며, 상기 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽 사이의 직경 냉간 간극은 보어 직경의 대략 0.2 퍼센트 내지 0.32 퍼센트인 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 피스톤 조립체는 타이트 톱 랜드 피스톤 조립체이고, 상기 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽 사이의 직경 냉간 간극은 피스톤 재료의 제1 열팽창계수와 알루미늄의 제2 열팽창계수의 비를 기초로 하는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽 사이의 반경 간극은 정격 온도에서의 왕복 기관의 작동 중에 대략 25 마이크로미터 미만인 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널은 최상위 홈으로 개방되고, 하나 이상의 개별 부위에 위치 설정되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널 중 적어도 일부는 최상위 홈의 상부면에서 반경방향으로 연장되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  8. 왕복 기관용 파워 실린더 시스템으로서,
    실린더 내에 위치 설정될 때에 파워 실린더 시스템에 있는 실린더의 내부 환형벽과 피스톤의 톱 랜드 사이에 타이트한 톱 랜드 간극을 형성하도록 구성된 피스톤;
    피스톤 주위에서 둘레방향으로 연장되고 링을 지지하도록 구성된 최상위 링 홈; 및
    최상위 링 홈의 상부면에 위치 설정되는 하나 이상의 채널
    을 포함하고, 상기 하나 이상의 채널은 최상위 링 홈으로 개방되고, 최상위 링 홈 내에 링이 배치될 때에 피스톤의 외주부로부터 최상의 링 홈의 일부와 링의 둘레방향 내주면 사이에 형성되는 공간으로 내측방향으로 연장되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피스톤은 알루미늄 피스톤이고, 상기 타이트한 톱 랜드 간극은 실린더의 보어 직경의 대략 0.36 퍼센트 내지 0.5 퍼센트인, 피스톤의 톱 랜드의 외주부와 실실린더의 내부 환형벽 사이의 직경 냉간 간극인 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 피스톤은 강제 피스톤이고, 상기 타이트한 톱 랜드 간극은 실린더의 보어 직경의 대략 0.2 퍼센트 내지 0.32 퍼센트인, 피스톤의 톱 랜드의 외주부와 실린더의 내부 환형벽 사이의 직경 냉간 간극인 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 타이트한 톱 랜드 간극은 피스톤의 톱 랜드의 외주부와 실린더의 내부 환형벽 사이의 직경 냉간 간극이고, 피스톤 재료의 제1 열팽창계수와 알루미늄의 제2 열팽창계수의 비를 기초로 하는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 타이트한 톱 랜드 간극은 정격 온도에서의 왕복 기관용 파워 실린더 시스템의 작동 중에 대략 25 마이크로미터 미만인, 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽 사이의 반경 간극인 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 링을 더 포함하고, 하나 이상의 다른 채널이 링의 상부면 내로 공간으로 연장되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  14. 왕복 기관용 파워 실린더 시스템으로서,
    보어 직경을 갖는 실린더;
    실린더 내에 위치 설정되는 피스톤;
    피스톤의 톱 랜드 아래에서 피스톤의 최상위 홈 내에 위치 설정되는 링; 및
    상기 실린더의 내부 환형벽, 링 및 톱 랜드에 의해 형성되는 톱 랜드 공동 및 링의 내면에 의해 부분적으로 형성되는 공간과 유체 연통되는 하나 이상의 채널
    을 포함하고, 상기 피스톤의 톱 랜드와 실린더의 내부 환형벽 사이에 타이트한 톱 랜드 간극이 마련되고, 상기 하나 이상의 채널은 톱 랜드 공동으로부터 공간으로의 연소 가스의 이송을 용이하게 하도록 구성되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽은, 보어 직경의 대략 0.5 퍼센트 미만인 직경 냉간 간극에 의해 분리되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 피스톤은 강제 피스톤이고, 상기 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽은, 보어 직경의 대략 0.32 퍼센트 미만인 직경 냉간 간극에 의해 분리되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 타이트 톱 랜드 피스톤의 톱 랜드의 외면과 실린더의 내부 환형벽은, 정격 온도에서의 왕복 기관용 파워 실린더 시스템의 작동 중에 대략 25 마이크로미터 미만인 반경 간극에 의해 분리되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 반경방향 채널 중 적어도 일부는 최상위 홈의 상부면 내로 연장되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 하나 이상의 반경방향 채널 중 적어도 일부는 링의 상부면 내로 연장되는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
  20. 제14항에 있어서, 타이트한 톱 랜드 간극은 피스톤의 톱 랜드의 외주부와 실린더의 내부 환형벽 사이의 직경 냉간 간극이고, 피스톤의 재료의 제1 열팽창계수와 알루미늄의 제2 열팽창계수의 비를 기초로 하는 것인 왕복 기관용 파워 실린더 시스템.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10753312B2 (en) 2015-09-28 2020-08-25 Ai Alpine Us Bidco Inc Annular ring groove of a piston
US10865734B2 (en) 2017-12-06 2020-12-15 Ai Alpine Us Bidco Inc Piston assembly with offset tight land profile
CN109869239A (zh) * 2019-04-15 2019-06-11 一汽解放汽车有限公司 一种发动机活塞

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1467256A (en) 1922-04-17 1923-09-04 Thomson John Engine piston
US1815418A (en) 1929-11-14 1931-07-21 O'bryan William Garvin Radially-expansive piston ring device and fusible locking means therefor
NL35547C (ko) 1933-02-03
US1959566A (en) 1933-12-21 1934-05-22 John T Brubaker Packing arrangement
NL39704C (nl) 1935-02-19 1936-12-15 Hans Henrik Blache Zuigeraggregaat, bestaande uit een zuiger en een of meer zuigerveeren
US2233723A (en) 1939-10-30 1941-03-04 Sealed Power Corp Oil control piston ring
US2328912A (en) 1942-07-15 1943-09-07 Gustav C Kotzback Piston ring
US2566603A (en) * 1947-12-18 1951-09-04 Motor Industry Res Ass Piston ring
US2591176A (en) 1949-12-01 1952-04-01 Robert F Mason Piston ring
US2610098A (en) 1950-04-25 1952-09-09 Cummins Engine Co Inc Piston construction
FR1304041A (fr) 1961-06-29 1962-09-21 Alsacienne Constr Meca Perfectionnement apporté aux pistons
US3364675A (en) 1966-08-25 1968-01-23 Gen Motors Corp Method and means for relating pressures in buffer and working spaces of a hot gas engine
US3554564A (en) 1968-06-12 1971-01-12 Outboard Marine Corp Pressure backed piston rings
US3608911A (en) 1970-03-04 1971-09-28 Ramsey Corp Resilient plastic piston ring
US3806137A (en) 1970-03-04 1974-04-23 Ramsey Corp Resilient plastic piston ring
US4235447A (en) 1978-07-10 1980-11-25 General Motors Corporation Low friction oil control piston ring
US4358121A (en) 1980-06-02 1982-11-09 Sand Darrel R Ring gap seal
US4516481A (en) 1981-02-06 1985-05-14 Robert Geffroy Piston and piston rings set
JPS60194147U (ja) * 1984-06-05 1985-12-24 トヨタ自動車株式会社 ピストン
JPS6124876A (ja) 1984-07-16 1986-02-03 Riken Corp 変位ピストン
US4681326A (en) * 1985-06-10 1987-07-21 Cummins Engine Company, Inc. Gas lubricated piston ring assembly
US4848212A (en) 1986-04-24 1989-07-18 Mazda Motor Corporation Internal combustion engine piston with two compression rings having reduced oil consumption
IT1223886B (it) 1988-11-04 1990-09-29 Borgo Nova Spa Fascia elastica o segmento ad attrito ridotto per pistoni di motori alternativi
US5253877A (en) 1990-08-06 1993-10-19 Richard DeBiasse Piston ring having tapered outwardly extending wiper
US5083536A (en) 1991-06-06 1992-01-28 Southwest Research Institute Compression piston ring groove for an internal combustion engine
US5392692A (en) 1994-03-14 1995-02-28 Ford Motor Company Antiblow-by piston and seal construction for high temperature applications
US5490445A (en) 1994-03-14 1996-02-13 Ford Motor Company Ultra low device volume piston system
US5430938A (en) 1994-03-14 1995-07-11 Ford Motor Company Method of making and using a piston ring assembly
US5564699A (en) 1995-02-15 1996-10-15 Caterpillar Inc. Side and gap sealed oil ring
CN2260173Y (zh) 1996-02-14 1997-08-20 王保东 一种带有自动润滑及调隙装置的活塞组件
JPH11182679A (ja) 1997-12-24 1999-07-06 Sanshin Ind Co Ltd 内燃エンジン
US6536385B1 (en) 1999-03-17 2003-03-25 Sanshin Kogyo Kabushiki Kaisha Piston ring
EP1793144A1 (fr) 2005-12-05 2007-06-06 Jean Frédéric Melchior Dispositif d'étanchéité pour piston pour monteur alternatif à combustion interne ou compresseur alternatif, et ensemble comprenant un tel piston
DE102008014859A1 (de) 2008-03-18 2009-10-01 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Kolben mit Druckbohrungen
CN201916070U (zh) * 2010-12-20 2011-08-03 浙江吉利汽车研究院有限公司 往复式发动机的活塞

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Publication number Publication date
CN105275660A (zh) 2016-01-27
BR102015013120A2 (pt) 2017-06-13
US9200589B1 (en) 2015-12-01
US20150354495A1 (en) 2015-12-10
JP2015232326A (ja) 2015-12-24
EP2952787A1 (en) 2015-12-09

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